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简析低合金钢焊接接头的低温冲击性能

发表时间：2020/10/27 来源：《基层建设》2020年第19期作者：滕尧

[导读] 摘要：近年来，低合金钢高强钢的产量越来越高，应用范围也在不断增广。

        华电重工机械有限公司天津 300409
        摘要：近年来，低合金钢高强钢的产量越来越高，应用范围也在不断增广。提升焊接接头性能是确保低合金钢安全应用的重要依据。文章一方面对低合金钢进行了简单的介绍，然后通过试验对低合金钢焊接接头的低温冲击性能进行了相应你的分析，最后对低合金钢焊接接头的质量控制提出了一些建议。
        关键词：低合金钢；焊接接头；低温冲击性能
        引言：低合金高强钢是一种控制碳钢中碳含量与各种合金元素含量的新材料，并利用热处理工艺的辅助来实现高强度，广泛使用于民用工业（如：压力容器、船舶工业等）、国防等领域。因为很多压力容器元件的使用环境比较恶劣，因此提高焊接接头的质量非常重要，文章着重对这方面的低温冲击性能进行了相应的分析。
        1低合金钢概述
        低合金钢是由添加一定量的合金元素在碳钢的基础上，和合金元素的质量分数通常不超过5%，用来提高钢的强度，并确保它能够拥有一定的可塑性与韧性，或让钢可以拥有一些特殊的属性，如耐低温、耐高温、耐腐蚀等。焊接结构常用的低合金钢可分为高强度钢、低温钢、耐腐蚀钢和珠光体耐热钢这几种。
        2低合金钢焊接接头的低温冲击性能的相关试验
        2.1试验内容和试验材料

        a 坡口简图             b 冲击试样取样位置
        图1坡口及取样位置
        在本次试验中，焊接试样使用的为国产3.5Ni钢，其主要的化学成分与机械性能可以有效满足相关要求，焊接工艺采取了电弧焊，利用各种焊接工艺参数进行换届，在焊接完成以后开展590±14℃/5h热处理，每一个工艺参数选择三组冲击试样，分别开展-115℃、-101℃和-85℃的冲击试验，坡口和取样位置如图1所示。
        2.2讨论试验结果
        2.2.1焊接线能量造成的影响
        在利用焊条电弧焊的过程中，3.5Ni钢焊接接头的焊缝区，通道间的温度是150℃，线能量处于16KJ/cm~45KJ/cm的范围中，在线能量较小的时候，拥有良好的低温冲击性能，但是伴随线能量的提升，焊缝的冲击性能也在不断下滑。
        2.2.2道间温度造成的影响
        经过对三组实验编号2 - 1、2 - 2和3 - 1进行分析，可以知道，在焊接线能量是16 kj /厘米的时候，道间的温度是（150°C、250°C和350°C）。伴随道间温度的不断增加，焊缝冲击功值也会不断减少。
        2.2.3 t8/5冷却速率的影响
        t8/5冷却时间通常处在12.6s~35.3s范围中，伴随t8/5冷却时间的不断延长，焊缝的冲击作用也在不断降低。在相同的t8/5冷却时间下，小能量线的冲击性能优于大能量线。2-2通道的温度为250℃，线性能为16kj /cm，t8/5的冷却时间为19s、冷却的温度是150℃，线能24KJ/cm，两个T8/5冷却时间和T8/5冷却时间18.8s基本相同，而冲击能分别为92.3j与82.7j。根据以上的试验诗句能够看出，焊缝的冲击性能伴随T8/5冷却时间的延长而降低，然而无法充分经过T8/5冷却时间的延长来判断焊缝的冲击性能。经过对后续焊道的宏观金相进行分析，找出了t8/5冷却时间一样的两个焊缝性能形成差异的主要原因，在线能大、预热温度小的情况下，焊道厚且窄，在后续焊道回火以后，残余的原柱状晶面积所占比例较大。小焊缝的能量通道之间的温度能够有效帮助形成较宽并且较薄的焊缝，在后面的焊缝热循环前，焊缝中原始柱状晶较少，整体焊缝较细晶化，冲击性能较高。
        2.2.4温度的影响
        对编号为2-1、3-2、4-1的三组试验开展相应分析，其试验温度是-115℃、-101℃、-85℃的时候，由于温度的提升，试件的冲击功值也在增长。编号4-1基于 -115℃下的平均冲击功只有14.7j，但是-85℃下的平均冲击功为75J，满足大于37J产品的设计要求。
        3控制低合金钢焊接接头质量的意见
        3.1选择焊接方式
        在开展低合金钢焊接过程中，焊接工艺有必要结合产品结构、板厚、性能要求等合理选择。在采取高热输入焊接工艺的时候，应该对焊缝金属和热影响区进行韧性评估，确保接头的冲击韧性符合要求。
        3.2选择焊接材料
        为确保焊接接头的冲击韧性与基体材料相等，应首先选择高韧性的焊接材料，经过适当的焊接工艺，让焊接接头拥有很好的冲击韧性。
        3.3控制焊接热输入
        通常，焊接热输入会对焊接冷却速度、性能产生极大影响，选择具体焊接中焊缝能量通常取决于焊接接头有没有存在冷裂纹和脆裂。伴随合金和焊接性能要求的提升，焊接线能量的选择范围不断减小，线能较大有利于降低冷却速度，增加焊道间热作用的影响区域，扩展焊道之间的细晶区宽度。然而，在增加热输入以降低冷却速率的同时，粗化也更加严重，增加热输入对降低冷却速率的作用有限，但对焊缝的一次结合组织具有明显影响。在增加管道能力的过程中，提高通道间的温度以减小冷却速率更为合理。
        3.4控制焊接道间温度
        经过对焊接道间温度的合理控制，能够良好降低冷却速度，避免发生冷裂纹与脆硬组织的状况。在适当的通道间温度下，伴随焊缝冷却时散热温度梯度的减小，焊缝在400℃左右缓慢冷却，让焊缝内脆性和硬质组织发挥回火效果。通道间温度会让焊接冷却速度变慢，通道间热作用区宽度增大，高温停留时间变长。在进行实际生产的时候，要求焊道间温度能够大于预热温度，低于评定的最高焊道间温度。而对最低温度进行控制的主要目的是为了能够降低脆性组织转变过程中的冷却速率，而控制最高通道温度的目的是为规避因冷却速率慢而形成厚组织。
        结论：总之，焊接接头质量和低合金钢的具体应用具有直接联系，对有关容器与部件的使用安全具有一定影响。文章根据焊接接头的低温冲击性能进行了分析。利用试验阐述焊接线能量、通道间温度、T8/5冷却速率和实验温度对焊接温度的影响。根据有关理论的提出，有必要选择合理的焊接方式与材料，良好控制焊接热输入和通道间温度，确保良好的焊接质量，满足低温使用的要求。
        参考文献：
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        [2]潘春兰，黄弘霏，俞珏涵，等.低合金钢Q345R焊接接头的力学性能和低温冲击性能分析[J].杭氧科技，2015，No.133（04）：1-7.
        [3]于岩，马清波，郭兆彬，et al.热矫正对Q345E低合金钢焊接接头组织与性能的影响[J].热加工工艺，2015（13）：67-69+79.